Влияние размерности, геометрии и ориентации наноструктур на распределение электрического поля в вопросах усиления комбинационного рассеяния света

Предмет исследования. Выполнен анализ результатов численного моделирования зависимости напряженности электрического поля от размерности и геометрии золотых наноструктур и их ориентации относительно поляризации падающего излучения.

Метод. Моделирование напряженности электрического поля вблизи единичной наноструктуры осуществлено с применением метода конечных разностей во временной области (Finite-Difference Time-Domain, FDTD). FDTD-метод — эффективный теоретический способ исследования взаимодействия электромагнитной волны и плазмонных нанообъектов. Исследованы объекты — единичные золотые наностержни, имеющие различную геометрию (цилиндр, сфероцилиндр, вытянутый эллипсоид) и варьируемую полудлину (L = 10–120 нм). Источник излучения — плоскополяризованная волна (λ = 632 нм).

Основные результаты. В результате проведенного моделирования определена локализация электрического поля вблизи наноструктур, а также получены максимальные теоретические значения напряженности ближнего электрического поля. Показано, что зависимость максимумов напряженности электрического поля от полудлины золотых наноструктур при их продольной ориентации имеет нелинейный характер.

Практическая значимость. Полученные теоретические расчеты напряженности электрического поля вблизи исследуемых плазмонных нанообъектов позволят в дальнейшем определить оптимальные параметры наночастиц и условия возбуждения плазмонного резонанса. В результате возможно создание оптических структур с высоким сигналом усиления комбинационного рассеяния света, детектируемого от исследуемых веществ, находящихся вблизи такой структуры.

1. Brode W.R. Chemical Spectroscopy. John Wiley & Sons, 1939.

2. Sahu R.K., Mordechai S. Spectroscopic techniques in medicine: The future of diagnostics // Applied Spectroscopy Reviews. 2016. V. 51. N 6. P. 484–499. https://doi.org/10.1080/05704928.2016.1157809

3. Xia J., Zhu F., Bounds J., Aluauee E., Kolomenskii A., Dong Q., He J., Meadows C., Zhang S., Schuessler H. Spectroscopic trace gas detection in air-based gas mixtures: Some methods and applications for breath analysis and environmental monitoring // Journal of Applied Physics. 2022. V. 131. N 22. P. 220901. https://doi.org/10.1063/5.0091263

4. De Bleye C., Chavez P.-F., Mantanus J., Marini R., Hubert Ph., Rozet E., Ziemons E. Critical review of near-infrared spectroscopic methods validations in pharmaceutical applications // Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 2012. V. 69. P. 125–132. https://doi.org/10.1016/j.jpba.2012.02.003

5. Хлебцов Н.Г. Оптика и биофотоника наночастиц с плазмонным резонансом // Квантовая электроника. 2008. Т. 38. № 6. С. 504– 529.

6. Boginskaya I., Gainutdinova A., Gusev A., Mailyan K., Mikhailitsyn A., Sedova M., Vdovichenko A., Ryzhikov I., Chvalun S., Lagarkov A. Detection of organic substances by a sers method using a special ag-poly(chloro-p-xylylene)-ag sandwich substrate // Coatings. 2020. V. 10. N 8. P. 799. https://doi.org/10.3390/coatings10080799

7. Aitekenov S., Sultangaziyev A., Abdirova P., Yussupova L., Gaipov A., Utegulov Z., Bukasov R. Raman, Infrared and Brillouin spectroscopies of biofluids for medical diagnostics and for detection of biomarkers // Critical Reviews in Analytical Chemistry. 2022. in press. https://doi.org/10.1080/10408347.2022.2036941

8. Mandal P., Tewari B.S. Progress in surface enhanced Raman scattering molecular sensing: A review // Surfaces and Interfaces. 2022. V. 28. P. 101655. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2021.101655

9. Mosier-Boss P.A. Review of SERS substrates for chemical sensing // Nanomaterials. 2017. V. 7. N 6. P. 142. https://doi.org/10.3390/ nano7060142

10. Goncharov V.K., Kozadaev K.V., Mel’nikov K.A., Mikitchuk E.P., Novikov A.G. Atmospheric laser deposition of sers-active colloids of noble metals (Ag, Au, and Pt) // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2018. V. 91. N 5. P. 1291–1295. https://doi.org/10.1007/s10891-018-1860-6

11. Cao Y., Zhang J., Yang Y., Huang Z., Long N.V., Fu C. Engineering of SERS substrates based on noble metal nanomaterials for chemical and biomedical applications // Applied Spectroscopy Reviews. 2015. V. 50. N 6. P. 499–525. https://doi.org/10.1080/05704928.2014.923901

12. Procházka M. Surface-Enhanced Raman Spectroscopy // Biological and Medical Physics, Biomedical Engineering. Springer, 2016. 221 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-23992-7

13. Zeng Z., Liu Y., Wei J. Recent advances in surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS): Finite-difference time-domain (FDTD) method for SERS and sensing applications // TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2016. V. 75. P. 162–173. https://doi.org/10.1016/j.trac.2015.06.009

14. Hao F., Nordlander P. Efficient dielectric function for FDTD simulation of the optical properties of silver and gold nanoparticles // Chemical Physics Letters. 2007. V. 446. N 1-3. P. 115–118. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2007.08.027

15. Yang Z.L., Li Q., Ruan X., Li Z., Ren B., Xu H., Tian Z. FDTD for plasmonics: Applications in enhanced Raman spectroscopy // Chinese Science Bulletin. 2010. V. 55. N 24. P. 2635–2642. https://doi.org/10.1007/s11434-010-4044-0

16. Schneider J.B. Understanding the Finite-Difference Time-Domain Method. School of electrical engineering and computer science Washington State University, 2010.

17. Rafiee M., Chandra S., Ahmed H., McCormack S.J. Optimized 3D finite-difference-time-domain algorithm to model the plasmonic properties of metal nanoparticles with near-unity accuracy // Chemosensors. 2021. V. 9. N 5. P. 114. https://doi.org/10.3390/chemosensors9050114

18. Grand J., Adam P.-M., Grimault A.-S., Vial A., Lamy de la Chapelle M., Bijeon J.-L., Kostcheev S., Royer P. Optical extinction spectroscopy of oblate, prolate and ellipsoid shaped gold nanoparticles: experiments and theory // Plasmonics. 2006. V. 1. N 2-4. P. 135–140. https://doi.org/10.1007/s11468-006-9014-7

19. Xu J., Kvasnička P., Idso M., Jordan R.W., Gong H., Homola J., Yu Q. Understanding the effects of dielectric medium, substrate, and depth on electric fields and SERS of quasi-3D plasmonic nanostructures // Optics express. 2011. V. 19. N 21. P. 20493–20505. https://doi.org/10.1364/OE.19.020493

20. Ладутенко К.С., Белов П.А. Моделирование интегральных схем нанофотоники: метод FDTD // Наносистемы: физика, химия, математика. 2012. Т. 3. № 5. С. 44–64.

21. Cheng Y., Chen G., Wang X.-H., Yang S. Analytical investigations on FDTD numerical dispersion // Proc. of the IEEE MTT-S International Conference on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization (NEMO). 2020. P. 9343614. https://doi.org/10.1109/NEMO49486.2020.9343614

22. Ross M.B., Blaber M.G., Schatz G.C. Using nanoscale and mesoscale anisotropy to engineer the optical response of three-dimensional plasmonic metamaterials // Nature Communications. 2014. V. 5. P. 4090. https://doi.org/10.1038/ncomms5090

23. Bedics M.A., Kearns H., Cox J.M., Mabbott S., Ali F., Shand N.C., Faulds K., Benedict J.B., Graham D., Detty M.R. Extreme red shifted SERS nanotags // Chemical Science. 2015. V. 6. N 4. P. 2302–2306. https://doi.org/10.1039/C4SC03917C

24. Kon I.I., Zyubin A.Y., Seteikin A.Y., Samusev I.G. FDTD simulations field on gold nanoparticles and silver nanorods // Proceedings of SPIE. 2021. V. 11904. P. 119041I. https://doi.org/10.1117/12.2602518

25. Zeng Z., Quan X., Yu X., Chen S., Zhang S. Nanoscale lightning rod effect in 3D carbon nitride nanoneedle: Enhanced charge collection and separation for efficient photocatalysis // Journal of Catalysis. 2019. V. 375. P. 361–370. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2019.06.019

26. Nicoletti O., Wubs M., Mortensen N.A., Sigle W., van Aken P.A., Midgley P.A. Surface plasmon modes of a single silver nanorod: an electron energy loss study // Optics Express. 2011. V. 19. N 16. P. 15371–15379. https://doi.org/10.1364/OE.19.015371